Диссертация (Фотонно-силовая микроскопия магнитных частиц, клеток крови и волноводных мод фотонных кристаллов), страница 2

Определяя разность фаз между колебаниямипротивоположных краев клетки в зависимости от частоты вынуждающей силы состороны оптических ловушек, можно количественно характеризовать вязко-упругиесвойства отдельного эритроцита.В четвертой главе диссертационной работы методом фотонно-силовой микроскопии исследуются свойство электромагнитного поля волноводной моды фотонного кристалла оказывать силовое воздействие на микрообъекты вблизи поверхности кристалла. Фотонные кристаллы — это структуры с периодическим изменением показателяВведение7преломления на масштабах, сравнимых с длиной волны электромагнитного излучения. Эти структуры интересны своими оптическими свойствами. Одним из такихсвойств является возникновение при определенных условиях поверхностных электромагнитных волн и волноводных мод с существенной локализацией электромагнитногополя вблизи границы фотонного кристалла.

Их характеризуют высокая степень пространственной локализации, направленность распространения, малая расходимость.Благодаря своим свойствам они могут получить применение в современных устройствах, таких, например, как компьютерные чипы или оптические сенсоры. Они могутбыть использованы в литографии, а также как средство эффективной передачи информации.Целями работы является изучение влияния магнитного взаимодействия междумикрочастицами на статистику их броуновского движения в оптических ловушках,разработка метода измерения сил магнитного взаимодействия микрочастиц с помощью оптического пинцета, изучение упруго-вязких и агрегационных свойств одиночных эритроцитов методом двухлучевого оптического пинцета и изучение методомфотонно-силовой микроскопии свойств электромагнитного поля волноводной модыфотонного кристалла.Актуальность работы обусловлена как фундаментальным интересом к проблемам, связанным с управлением одиночными микрообъектами неоднородным лазерным излучением, так и интересом к исследованию магнитного взаимодействиямикрочастиц в суспензиях магнитных жидкостей, развитию методов диагностикивязко-упругих характеристик клеток крови и применении фотонно-кристаллическихструктур в сенсорах.

Обоснованность и достоверность экспериментальных результатов определяется использованием современного оборудования и многократным повторением экспериментов. Экспериментальные данные подтверждены теоретическимирасчетами, основанными на адекватно выбранных физических моделях анализируемых процессов, а также не противоречат результатам других исследователей.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований неоднократно обсуждалисьна семинарах и докладывались на специализированных научных конференциях попроблемам, связанным с тематикой диссертационной работы. Результаты опубликованы в международных и российских журналах.

Большинство представленныхрезультатов являются новыми и получены впервые.Введение8Научная новизна результатов диссертации заключается в следующих положениях:• Впервые экспериментально методом фотонно-силовой микроскопии измеренысилы притяжения магнитных микрочастиц. Предложен новый метод определения величины и градиента силы взаимодействия между двумя магнитнымимикрочастицами на основе корреляционного анализа смещений этих частиц изоптических ловушек.• Предложен новый метод для диагностики вязко-упругих свойств эритроцитов.Метод основан на анализе фазового сдвига в осцилляциях краев клетки, захваченных одновременно в две оптические ловушки, положение одной из которыхпериодически меняется со временем. Впервые измерена средняя сила, необходимая для сдвига эритроцитов на заданное расстояние друг относительно друга впарном агрегате в аутологичной плазме крови.• Впервые методом фотонно-силовой микроскопии экспериментально обнаружено силовое воздействие электромагнитного поля первой волноводной моды одномерного фотонного кристалла на пробную микрочастицу, расположенную вводе вблизи его границы.Практическая значимость работы состоит в возможном использовании полученных результатов для задач, связанных с управлением и характеризацией микрообъектов методом оптического пинцета, исследованием и применением магнитныхжидкостей, развитием методов диагностики заболеваний, связанных с изменениемреологических свойств крови, разработкой сенсоров на основе фотонных кристаллов,а также развитием методов управления движением микрочастиц электромагнитнымполем вблизи границ разделов сред.Научные положения и результаты, выносимые на защиту:• Силы взаимодействия магнитных микрочастиц могут быть измерены методомдвухлучевого оптического (лазерного) пинцета.

Корреляционная функция броуновских смещений двух магнитных частиц, локализованных в две оптическиеловушки, зависит от силы магнитного взаимодействия микрочастиц.Введение9• Притяжение между магнитными микрочастицами приводит к уменьшению значений корреляционной функции броуновских смещений вдоль оси, проходящейчерез центры частиц, а отталкивание – к возрастанию.

Для системы из двухзахваченных в оптические ловушки частиц отношение амплитуды смещений частицы в неподвижной ловушке к амплитуде смещений частицы в осциллирующей ловушке растет при увеличении градиента силы магнитного взаимодействия частиц, если частоты смещений осциллирующей ловушки меньше частоты отсечки, равной отношению жесткости оптической ловушки к коэффициентувязкого трения частицы в среде.• Сила сдвиговой дезагрегации красных кровяных телец и их вязко-упругие свойства могут быть определены методом двухлучевого оптического (лазерного)пинцета. Расстояние между центрами клеток в парном агрегате возрастает сувеличением сил, приложенных со стороны оптических ловушек и направленных на разъединение клеток.• Тангенс фазовой задержки колебаний одного края эритроцита, удерживаемогоза противоположные края в двух оптических ловушках, относительно другогокрая, испытывающего периодическое механическое воздействие вдоль линии,связывающей ловушки, пропорционален частоте этого воздействия в диапазонеот 0,1 до 1 кГц.• Метод фотонно-силовой микроскопии применим для исследования электромагнитного поля в волноводной моде одномерного фотонного кристалла.• Микрочастица, находящаяся вблизи поверхности фотонного кристалла, испытывает силовое воздействие со стороны электромагнитного поля в волноводноймоде, возбужденной лазерным излучением в схеме нарушенного полного отражения.

При этом сила, действующая на пробную частицу, возрастает вблизирезонанса возбуждения волноводной моды фотонного кристалла, а также приприближении пробной частицы к поверхности фотонного кристалла.Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, содержащего выводы и списка литературы. Основная часть работы имеют следующуюструктуру:Введение10• Глава 1 посвящена обзору литературы по объектам изучения и экспериментальным методам, используемым в работе.• Глава 2 посвящена определению влияния магнитного взаимодействия междупарой микрочастиц на статистику их броуновского движения в оптических ловушках расположенных на заданном расстоянии друг от друга, а именно экспериментальному, численному и теоретическому определению корреляционнойфункции броуновских смещений двух магнитных микрочастиц, расположенныхна расстоянии друг от друга в двух оптических ловушках, выявлении зависимости вида этой функции от силы магнитного взаимодействия между частицами,развитии метода определения сил магнитного взаимодействия микрочастиц спомощью двухлучевого оптического пинцета.• Глава 3 посвящена разработке метода диагностики упруго-вязких свойств одиночных эритроцитов по их отклику на внешнее периодическое механическоевоздействие с частотами в диапазоне от 0,1 до 1 кГц, измерению методом оптического пинцета с двумя лазерными ловушками зависимости среднего расстояния между центрами эритроцитов в парном агрегате от приложенной силы,приводящей к сдвиговой дезагрегации.• Глава 4 посвящена реализации фотонно-силовой микроскопии электромагнитного поля волноводных электромагнитных мод, возбуждаемых в одномерныхфотонных кристаллах (брэгговских зеркалах), а именно экспериментальномуопределению силового воздействия на пробную микрочастицу, расположеннуюв воде вблизи границы раздела с одномерным фотонным кристаллом, в которомприсутствует электромагнитное поле, соответствующее первой волноводной моде с существенной локализацией электромагнитного излучения вблизи рассматриваемой границы раздела.Основные результаты работы являются оригинальными и опубликованы в следующих статьях :• М.Н.

Скрябина, Е.В. Любин, М.Д. Хохлова, А.А. Федянин. Диагностика парного взаимодействия магнитных микрочастиц методом оптического пинцета//Письма в ЖЭТФ. 2012. Т. 95, С. 638–642.Введение11• E.V. Lyubin, M.D. Khokhlova, M.N. Skryabina, A.A. Fedyanin. Cellular viscoelasticity probed by active rheology in optical tweezers// J. Biomed. Opt. 2012. V.